拿下6个诺奖、年收千亿美元的“明星”,就藏在你的身体里

subtitle 我是科学家02-11 08:40 跟贴 3 条

去年 10 月底开始,美国多个州爆发大肠杆菌食物中毒事件,包括加利福尼亚州在内的 15 个州均有病例报告,部分患者因肾衰竭症状住院治疗。而导致食物中毒的罪魁祸首是——被大肠杆菌污染的罗马生菜[1]。

翻阅世界卫生组织(WHO)及美国疾病预防和控制中心(CDC)网站,你会发现大肠杆菌是食物中毒事件中的常客,经常污染生菜、即食沙拉及牛肉制品[2,3]。

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本次作恶的 O157:H7 菌株仅仅是大肠杆菌家族中的一个“败类”,绝大多数时候,大肠杆菌都在兢兢业业地为人类服务。“E. coli”的名字登上了三百万篇论文,多次助攻科学家获得诺贝尔奖,一年创造几千亿美元的经济收益。

大肠杆菌最初由德国儿科医生西奥多·埃舍里奇(Theodor Escherich)于 1885 年在健康幼儿的粪便里发现,被命名为 Escherichia coli [4],简称 E. coli。它们生活在温血动物的大肠中,所以大肠杆菌污染就是人、牛、羊等温血动物的粪便污染了食物。

大部分的大肠杆菌菌株无害,它和其他兼性厌氧菌占据了肠道菌群的 0.9%,可以说是个“小透明”。而引发食物中毒的主要是 O157:H7 及 O104:H4,它们会产生志贺毒素(Shiga toxin),破坏血管内皮细胞,造成血状腹泻等肠道出血症状。少数患者并发溶血性尿毒症,可能恶化为急性肾衰竭,甚至死亡[5]。

低温电镜下放大了 1 万倍的大肠杆菌。图片来源:Wikipedia

但你知道吗?这些小小的微型杀手同时也是个一年赚上几千亿美元,并且多次获得诺贝尔奖的明星微生物。大肠杆菌皮实好养活,而且在实验室条件下大约 20 分钟就能扩增一倍,很快成为细菌中的“小白鼠”。在过去半个世纪中,全世界的科学家用它们做了无数的实验,得到了不少惊人的科学发现。在 Google Scholar 搜索“E. coli”,能找到超过三百万篇论文。

E. coli 的诺奖之路

E. coli 带来的第一个惊喜就是它们的“性生活”。一直以来,细菌的繁殖被认为是无性的,通过细胞分裂一分为二,二分为四。但在上世纪 50 年代,爱德华·塔特姆(Edward Tatum)和约书亚·莱德伯格(Joshua Lederberg)发现了 E. coli 不为人知的小秘密,原来——细菌也有性生活(嘘)。

塔特姆和莱德伯格使用化学物质诱导突变的 E. coli K12 菌株丧失了在肠道生存的能力,但能在实验室的条件下生长。接下来他们观察发现,细菌竟然能将遗传物质从一个细菌传到另一个细菌,而且还讲究“礼尚往来”带有菌毛(pilus)的细菌同时也带有一个 DNA 质粒(F plasmid),游离于基因组 DNA 之外。这样的细菌会利用菌毛和不带有质粒的细菌连结形成融合通道,DNA 质粒的其中一链经由通道转移至另一个细菌,然后在 DNA 复制酶的作用下合成互补链。最后,接受了 DNA 质粒的细菌也长出菌毛[6],成为新的质粒供应方。

E. coli 的“性”福生活,了解一下。图片来源:Wikipedia

由于这项发现,塔特姆和莱德伯格于 1958 年获得诺贝尔生理医学奖。这只是 E.coli 光荣“科研生涯”的开始。

接下来,瑞士微生物学家维尔纳·阿尔伯(Werner Arber)发现噬菌体感染大肠杆菌有其限制性,即噬菌体可以感染某个菌株,但不能感染另一个菌株。经过进一步研究,他发现在噬菌体抗性菌株中,核酸酶会切碎噬菌体 DNA;而在易感菌株中的噬菌体 DNA 经过修饰酶的修饰,不会被核酸酶切碎。这些核酸酶具有切割位点序列特异性,能辨识“回文”的序列(即 DNA 双链 5 至 3 均为同一序列,例如 EcoRI 辨识的序列为 GAATTC)[7],被称为限制性核酸内切酶。阿尔伯等人因发现 DNA 限制酶及其在分子遗传学上的应用共同获得 1978 年诺贝尔生理医学奖。

随后,美国生化学家保罗·伯格(Paul Berg)利用限制性核酸内切酶技术构建出第一个猿猴病毒40(SV40)和 E. coli 质粒融合的重组 DNA 质粒,这项新技术让伯格与另外两位奠定核酸测序技术的科学家沃尔特·吉尔伯特(Walter Gilbert)及弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)于 1980 年一起获得诺贝尔化学奖[8],现代分子生物学的大门从此开启。

构建重组 DNA 质粒的过程。当年的诺奖技术如今已经成为每个分子生物实验室必备的基础技能。图片来源:www.nobelprize.org,Nobel lecture 1980 by Paul Berg

小小的大肠杆菌拿到的诺奖太多,以上的内容只是其中一小部分。和它有关的重要发现还有 DNA/RNA 合成酶及复制机器(1959 年诺贝尔生理医学奖)、乳糖操作组基因调控机制(获得 1965 年诺贝尔生理医学奖)和 DNA 修复的分子机制(2015 年诺贝尔化学奖)[9,10]。

产业界中的多面手

E. coli 绝对是个“经济适用型”的模式微生物。大肠杆菌在实验室条件下扩增迅速,宛如一个个能自我复制的微型工厂。再结合上述的重组 DNA 技术,科学家们就可以对大肠杆菌进行改造,让它们生产我们想要的产品。据统计,仅在 2011 年,大肠杆菌对全球经济的贡献就达到了 5000 亿美元[10,11]。来看看它的主要“就业方向”吧!

职业 1:合成生物燃料

科学家们在 2009 年已经使用大肠杆菌来合成酒精。2014 年,德国科学家利用 E. coli 大量合成以脂肪酸为基础的生物燃料[12]。

职业 2:合成药物

经过遗传工程编辑的大肠杆菌可用来合成许多药物,诸如重组胰岛素、紫杉醇、乙型肝炎病毒重组抗原疫苗。不过,由于大肠杆菌为原核生物,它们在合成真核生物重组蛋白质时无法进行蛋白质修饰和正确折叠。因此目前倾向应用酵母菌、昆虫细胞或中国仓鼠卵巢细胞细胞(CHO 细胞)来合成具有功能及活性的真核生物重组蛋白质[11]。

职业 3:携带抗癌“炸药包”

2006 年,加利福尼亚大学的研究人员利用遗传工程制造出能特异性辨识并渗透入肿瘤细胞的 E. coli。西班牙科研团队也正在利用相似技术,将 E. coli 变身成可以特异性辨识肿瘤细胞、募集其他 E. coli 一同发动攻击的抗癌纳米机器人[11]。

职业 4:生物电脑

2013 年,斯坦福大学的研究人员用大肠杆菌中的单链 DNA 作为“电线”,酶作为电线上的“电子”,制造出一种生物传感器。它能根据不同的输入信号,经由细胞中相互连接的“生物半导体”运算处理后,输出不同的产物。这项技术最直观的应用就是在混合化学物质中侦测葡萄糖或咖啡因等特定物质,未来或许还能应用于细胞重新编程,并具有改善细胞治疗效果的潜力[13]。

2015 年,法国和美国的研究团队将大肠杆菌改造为能检测临床样本生物标志物的细菌传感器(bactosensor),结合布林逻辑模组(boolean integrase logic module)进行运算处理和输出。这些可以自我复制的微型生物电脑具有帮助临床诊断的潜力[13]。

E. coli 还能成为微生物界的维米尔。经过遗传工程改造的大肠杆菌带有各色荧光,在含有细菌培养基的培养皿上就是最美的荧光颜料[11]。图片来源:Twitter@PetriPicasso

人与菌的“猫鼠游戏”

相爱相杀的关系总是引人入胜。在电影《猫鼠游戏》(Catch me if you can)电影中,主角弗兰克从通缉犯变成了帮助 FBI 辨识假支票的专家;而大肠杆菌也是一样,这个臭名昭著的病原体在科学家手中摇身一变,成了万能的 E. coli,真正的名利双收,妥妥的“菌”生赢家啊!

腺病毒和慢病毒也在慢慢踏上这条路,科学家利用它们“劫持”细胞功能中枢的能力,达到控制目标细胞的目的。“没有永远的敌人,没有永远的朋友,只有利益是永恒的。”

当然,在日常生活中,我们还是要小心大肠杆菌食物中毒,来看看 WHO 给出的建议[14]:

1、饮用水必须煮沸,定期实施水质检查。

2、大肠杆菌的耐热性差,因此彻底煮熟食物可有效杀死大肠杆菌,保证食物中心至少达到 70 摄氏度。

3、不食用生肉或未煮熟的肉,不饮用生乳。

4、生食蔬菜和水果最好洗净并去皮食用。

5、生食和熟食分开处理和存放。

6、勤洗手,尤其是如厕后、进食前及处理食物前。

参考文献:

1.链接

2.链接

3.链接

4.链接

5. Obata, F. and Obrig, T. (2014) Role of Shiga/Vero toxins in pathogenesis. Microbiol. Spec.

6. Lederberg, J. and Tatum, E. (1986) Forty years of genetic recombination in bacteria. Nature

7. Pray, L. (2008) Restriction enzymes. Nature Education

8. Berg, P. (1980) Dissections and reconstructions of genes and chromosomes. Nobel lecture. www.nobelprize.org

9.链接

10. Blount, ZD. (2015) The unexhausted potential of E. coli. eLIFE

11链接

12. Janen, HS. and Steinbüchel, A. (2014) Fatty acid synthesis in Escherichia coli and its applications towards the production of fatty acid based biofuels. Biotechnology for Biofuels

13. Courbet, A. (2015) Detection of pathological biomarkers in human clinical samples via amplifying genetic switches and logic gates. Sci. Trans. Med.

14.链接

15链接

16. Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, Purdom E, Dethlefsen L, Sargent M, Gill SR, Nelson KE, Relman DA (June 2005). "Diversity of the human intestinal microbial flora". Science. 308 (5728): 1635–8. Bibcode:2005Sci...308.1635E. doi:10.1126/science.1110591

来源:公众号“科研圈”

撰文:迦陵频伽

编辑 :戚译引

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